C++ STL | 容器适配器

C++ STL 容器适配器详解

——栈、队列、优先队列的使用与底层原理

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📌 什么是容器适配器（Container Adapters）？

在 C++ STL 中，容器适配器不是独立的数据结构，而是基于已有容器（如 deque、vector、list）封装出的新接口，以提供特定的访问逻辑（如 LIFO、FIFO、按优先级访问）。

STL 提供了三种标准容器适配器：

适配器	行为	默认底层容器
stack	后进先出（LIFO）	deque
queue	先进先出（FIFO）	deque
priority_queue	按优先级出队（最大堆/最小堆）	vector

✅ 关键特点：

• 不支持迭代器（不能遍历）
• 只能通过特定接口访问元素（如 top()、push()、pop()）
• 可自定义底层容器（需满足特定要求）

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1️⃣ stack（栈）

基本操作

#include <stack>
using namespace std;

stack<int> s;
s.push(10);      // 入栈
s.push(20);
cout << s.top(); // 访问栈顶 → 20
s.pop();         // 弹出栈顶（无返回值）
cout << s.size(); // 元素个数
cout << s.empty(); // 是否为空

自定义底层容器

// 使用 vector 作为底层
stack<int, vector<int>> s1;

// 使用 list 作为底层（较少见）
stack<int, list<int>> s2;

⚠️ 要求：底层容器必须支持 back(), push_back(), pop_back() —— 所以 vector、deque、list 都可以。

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2️⃣ queue（队列）

基本操作

#include <queue>

queue<int> q;
q.push(1);       // 入队
q.push(2);
cout << q.front(); // 队首 → 1
cout << q.back();  // 队尾 → 2
q.pop();           // 出队（无返回值）

自定义底层容器

// 必须使用支持 push_back 和 pop_front 的容器
queue<int, deque<int>> q1;  // 默认
queue<int, list<int>> q2;   // list 也支持
// queue<int, vector<int>> ❌ 错误！vector 没有 pop_front()

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3️⃣ priority_queue（优先队列）

本质是一个堆（heap） ，默认是最大堆（最大的元素在顶部）。

基本用法（最大堆）

priority_queue<int> pq; // 默认：最大堆
pq.push(10);
pq.push(30);
pq.push(20);
cout << pq.top(); // → 30（最大值）
pq.pop();         // 移除30

最小堆实现

// 方法1：使用 greater<int>
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> min_pq;

// 方法2：存负数（不推荐）
priority_queue<int> pq;
pq.push(-10); pq.push(-20);
cout << -pq.top(); // 得到最小正数

自定义结构体的优先级

struct Person {
    string name;
    int age;
};

// 方式1：重载 < 运算符（注意：最大堆，所以“年龄大”的优先级高）
bool operator<(const Person& a, const Person& b) {
    return a.age < b.age; // 注意：这里 < 表示 a 优先级低于 b
}

// 方式2：使用仿函数（更灵活）
struct CompareAge {
    bool operator()(const Person& a, const Person& b) {
        return a.age > b.age; // 注意：这里 > 表示 a 优先级更低（用于最小堆）
    }
};

priority_queue<Person, vector<Person>, CompareAge> pq;

🔍 重要提示：
priority_queue 的比较函数逻辑是：

• 如果 comp(a, b) == true，则 b 的优先级高于 a
• 所以最小堆用 greater<T>（即 a > b 时 b 更小，应优先）

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🔧 底层容器选择建议

适配器	推荐底层容器	原因
stack	deque（默认）或 vector	vector 内存连续，deque 扩容更高效
queue	deque（默认）	支持两端高效操作，list 也可但内存开销大
priority_queue	vector（默认）	堆通常用数组实现，vector 最合适

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⚠️ 常见误区

1. pop() 不返回值

   int x = s.pop(); // ❌ 错误！pop() 返回 void
   // 正确做法：
   int x = s.top(); s.pop();
   

2. priority_queue 是最大堆，不是最小堆
   想要最小堆必须显式指定 greater<T>。

3. 不能遍历容器适配器
   没有 begin() / end()，无法用 for-each 或算法库。

4. 底层容器不可直接访问
   适配器封装了底层容器，你无法拿到内部的 deque 或 vector。

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✅ 总结：何时使用哪个适配器？

场景	选择
函数调用、括号匹配、表达式求值	stack
BFS、任务调度、缓冲区	queue
Top-K 问题、Dijkstra 算法、任务按优先级处理	priority_queue

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💡 记住：容器适配器是“接口包装器”，它们让已有容器表现出新的行为，复用而不重复造轮子，这正是 STL 设计哲学的体现！

掌握这三类适配器，你就能高效解决大多数需要栈、队列或堆的算法问题！